BÖLÜM 1 YARIİLETKENLERİN TANITILMASI. Konular: Amaçlar:

Transkript

1 ÖLÜM 1 YARİLTKNLRİN TANTLMAS Konular: 1.1 Atomik Yapı 1.2 Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan 1.3 Yarıiletkenlerde İletkenlik 1.4 N Tipi ve P tipi Yarıiletkenler 1.5 PN itişimi (eklemi) ve Diyot 1.6 PN itişiminin Önbeslemesi Amaçlar: u bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. Maddenin temel atomik yapısı Atom numarası ve ağırlığı, elektron kabukları ve yörüngeler, alans elektronları, iyonizasyon Yarıiletken, iletken ve yalıtkan. nerji bandları, Silisylum ve germanyum Yarıiletkenlerde iletkenlik, elektronlar ve boşluklarda iletkenlik, N tipi ve P tipi maddenin oluşturulması; Katkı işlemi PN eklemi ve temel işlevleri PN ekleminin önbeslenmesi Diyot karakteristikleri

2 Şekil1.1 Çeşitli elektronik devre elemanlarının genel görünümü Kullandığımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre elemanı kullanılmaktadır. lektronik devre elemanları ise yarıiletken materyaller kullanılarak üretilir. Diyot, transistör, tristör, FT, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu şekil1.1 de resimlenmiştir. 2

3 lektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için yarıiletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye gereksinim duyarız. u bilgiyi ulaşmanın en etkin yolu maddenin temel atomik yapısını incelemekle başlar. u kitap boyunca elektronik devre elemanlarını belirli bir sıra içerisinde tanıyacağız. u elemanların tüm özelliklerini inceleyerek cihaz tasarımlarını gerçekleştireceğiz. 1.1 ATOMİK YAP Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. lektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar. lektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. u materyaller; silisyum ve germanyumdur. İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir. u bölümde temel atomik yapıyı inceleyeceğiz. ölüm sonunda aşağıda belirtilen konular hakkında bilgi edineceksiniz. Çekirdek, proton, nötron ve elektron Atom ağırlığı ve atom numarası Yörünge alans elektronları İyonisazyon Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. ir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. ilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir. Klasik bohr modeline göre atom, şekil1.1 de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. unlar; elektron, proton ve nötron dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Çekirdek artı yüklüdür. lektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler. 3

4 lektron Nötron Proton Şekil1.1 ohr modeline göre atom. lektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. ilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil1.2.a da gösterildiği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil1.2.b de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır. Çekirdek yörüngesinde 1 elekton Çekirdek yörüngesinde 2 elekton 1 Protonlu çekirdek 2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek a) Hidrojen Atomu b) Helyum Atomu Atom Numarası ve Ağırlığı Şekil 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları ütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. lementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1 dir ve atom ağırlığı da 1 dir. Helyumun atom numarası 2 dir ve atom ağırlığı ise 4 tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir. 4

5 lektron Kabukları ve Yörüngeler ir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler kabuk (shell) olarak bilinirler. erilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. u elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür. Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, klmn olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk k dır. k ve l kabukları şekil1.4 de gösterilmiştir. 2. Kabuk k enerji seviyesi W6 W5 W4 W3 u elektron, en yüksek enerjiye sahiptir. r3 1. Kabuk l W2 W1 r4 Çekirdek r1 r2 r6 r5 W nerji r Çekirdekten uzaklık u elektron, en düşük enerjiye sahiptir. alans lektronları Şekil 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri. lektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. u durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. ir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. u durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. alans (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar. ir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. u bağa kovelant bağ denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise valans elektron adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar. 5

6 İyonizasyon ir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. lektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. öylece alans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. ir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. ir atom, pozitif şarjın aşırı artması (protonların elektronlardan daha fazla olması) durumunda nötr değere ulaşmaya çalışır. u amaçla atom, valans elektronlarını harekete geçirir. alans elektronunu kaybetme işlemi İYONİZASYON olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H dır. Hidrojenin valans elektronları kaybedildiğinde pozitif iyon adını alır ve H olarak gösterilir. Atomdan kaçan valans elektronları serbest elektron olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde (elektronların prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H olarak gösterilirler. 1.2 YARİLTKN, İLTKN YALTKAN üyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. u guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. u bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalışacağız. u bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konularda ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. Atomik yapının özü akır, silisyum, germanyum ve karbon v.b maddelerin atomik yapıları İletkenler Yarıiletkenler İletken ve yarıiletken arasındaki farklar Silisyum ve germanyum yarıiletken malzemelerin farklılıkları Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. İletken lektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. u materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. u tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örneğin bakır, altın, gümüş v.b. 6

7 Yalıtkan Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yalıtkan maddelere örnek olarak bakalit, ebonit v.b ametalleri sayabiliriz. Yarıiletken Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. lektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. u elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. nerji andı Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları şekil1.4 de verilmiştir. nerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. ir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı adeta birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir. İletim andı nerji nerji nerji nerji Aralığı alans and İletim andı nerji Aralığı alans and İletim andı alans and a) Yalıtkan a) Yarıiletken a) İletken Silisyum ve Germanyum Şekil1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. unlar; SİLİSYUM ve GRMANYUM elementleridir. u elementlerin atomlarının her ikisi de 4 alans elektronuna sahiptir. unların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Şekil1.5 de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır. 7

8 n dış yörüngede 4 valans elektronu bulunur Kovelant ağ a) Silikon Atomu b) Germanyum Atomu Şekil1.4 Silisyum ve germanyum atomları. Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir. Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. u yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. u durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. öylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil1.5 saf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır. Si Si Si Si alans lektronlar Si Si Si Si Kovelant ağlar Si Si Si Si Şekil1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları. 8

9 1.3 YARİLTKNLRD İLTKNLİK Malzemenin elektrik akımını nasıl ilettiği, elektrik devrelerinin nasıl çalıştığının anlaşılması bakımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mantığını bilmeden diyot veya transistör gibi yarıiletken devre elemanlarının çalışmasını anlayamazsınız. u bölümde iletkenliğin nasıl meydana geldiğini ve bazı malzemelerin diğerlerinden niye daha iletken olduğunu, yarıiletken malzemelerde iletkenliğin nasıl sağlandığını öğreneceksiniz. u bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. nerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. u durum şekil 1.6 da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir. İletim andı alans and 2. and ( l kabuğu) nerji nerji Aralıkları nerji Aralıkları 1. and ( k kabuğu) nerji Aralıkları Çekirdek 0 Şekil1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı. lektronlar ve oşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. unlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. u durum şekil 1.7.a da enerji diyagramında, şekil1.7.b de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. ir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. u boşluklara delikboşluk veya hole denir. sı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. u durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey eski haline döner. 9

10 Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. u hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. öylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar. İletim andı alans and nerji Serbest lektron nerji Aralıkları Delik sı nerjisi Si Si Delik Serbest lektron sı nerjisi a) nerji Diyagramı b) ağ Diyagramı Şekil1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması. lektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil1.8 üzerinde gösterilmiştir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. u; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. una elektron akımı denir. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Şekil1.8 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket, silisyum içinde bir elektron akışına neden olur. Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. u ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. alans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. ununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). öylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. u durum şekil19 da gösterilmiştir. oşlukların bu hareketi de akım diye adlandırılır. 10

11 Şekil1.9 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket silisyum içinde bir elektron akışına neden olur. 1.4 NTİPİ PTİPİ YAR İLTKNLR Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. unlara; Ntipi madde ve Ptipi madde denir. lektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır. u bölümü bitirdiğinizde; Katkı (doping) işlemini Ntipi yarıiletken maddenin yapısını Ptipi yarıiletken maddenin yapısını Çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarını Ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Katkı İşlemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. u işleme doping denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda Ntipi veya Ptipi madde oluşur. 11

12 NTipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. u atomlar, 5değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (i) veya antimon dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu şekil1.10 da gösterilmiştir. Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. u açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. u ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz. Si Si Si Si Si Si Fb Si Si Si Si Si Kovelant ağ Fb atomunun serbest elektronu Şekil1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması. Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine N tipi yarıiletken malzeme denir. Ntipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcıları diye adlandırılır. öylece Ntipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır. una rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. u boşluklar 5değerli katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. Ntipi malzemede boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır. PTipi Yarıiletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. u yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), or () ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. u durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. una boşluk veya delikhole denir. Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. u yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile Ptipi malzemede çoğunluk akım taşıcıları boşluklardır. lektronlar ise P tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. Ptipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda oluşmuştur. unlar ısı ile oluşan boşluk çifti esnasında meydana gelmiştir. u serbest elektronlar, silisyuma yapılan katkı esnasında oluşturulamazlar. lektronlar Ptipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. 12

13 Si Si Si Si Si Si Si Kovelant ağ atomundan oluşan delik (hole) Si Si Si Si Şekil 1.11 Silisyum kristaline 3 bağlı katkı atomu. ohr katkı atomu merkezde gösterilmiştir. 1.5 PN İRLŞİMİ Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, Ptipi ve Ntipi maddeler oluşturulmuştu. u maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır. u bölümü bitirdiğinizde; PN bitişiminin özelliklerini Deplasyon katmanı ve işlevini ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Şekil1.12.(a) da yarısı Ptipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. u temel yapı biçimine yarı iletken diyot denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. unlar akım taşıyıcıcısı olarak görev yaparlar ve çoğunluk akım taşıyıcısı olarak adlandırılırlar. u bölgede ayrıca ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delikhole) bulunur. unlara ise azınlık akım taşıyıcıları adı verilir. pn bitişimi P TİPİ MADD N TİPİ MADD P TİPİ MADD N TİPİ MADD Delik (hole) Şekil1.12.a ve b asit bir PN yapısının oluşumu. Çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir. 13 lektron

14 P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delikhole) içerir. unlara çoğunluk akım taşıyıcıları denir. u bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur. unlara ise azınlık akım taşıyıcıları denir. u durum şekil1.12.(b) de gösterilmiştir. PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur. Deplasyon Katmanı ve İşlevi P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı meydana gelmişti. lektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi şekil1.13.a da görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. irleşim olduğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşlukdelik) birleşirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise, N maddesine gelip elektronlarla birleşirler. u durumda P maddesi net bir () yük, N maddesi ise () yük kazanmış olur. u olay olurken P maddesi () yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de () yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter. öylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler. Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında gerilim seddi denilen bir bölge (katman) oluşur. u durum şekil1.13.b de resmedilmiştir. İletim dengesi sağlandığında deplesyon katı, P N birleşiminde iletim elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler. P TİPİ MADD Delik (hole) pn bitişimi N TİPİ MADD lektron ngel Potansiyeli N TİPİ MADD P TİPİ MADD Deplasyon ölgesi Şekil1.13.a ve b PN birleşiminin denge iletimi. lektron boşluk çiftinin oluşturduğu sıcaklıkla, N bölgesindeki birkaç boşluğun azınlık taşıyıcılarının meydana getirilmesi. Şekil1.13.b de PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 25 0 de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civarındadır. u gerilime diyot öngerilimi denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 1 0 lik artış, diyot öngeriliminin yaklaşık 2.3m azalmasına neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. 14

15 1.6 PN İRLŞİMİNİN POLARMALANMAS PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN bitişimi elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır. PN birleşimine elektronik biliminde diyot adı verilmektedir. Diyot veya diğer bir elektronik devre elamanının D gerilimler altında çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte Polarma veya bias adı verilmektedir. PN birleşimi veya diyot; D gerilim altında iki türde polarmalandırılır. unlardan birisi ileri yönde polarma diğeri ise ters yönde polarma dır. İleri veya ters yönde polarma, tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. u bölümü bitirdiğinizde; İleri yönde polarma (forward bias) Ters yönde polarma (reverse bias) Kavramlarını öğreneceksiniz. İleri Yönde Polarma (Forward ias) İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan D gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birleşiminden akım akmasını sağlayacak şekilde yapılan polarmadır. Şekil1.14 de bir diyoda ileri yönde polarma sağlayacak bağlantı görülmektedir. R p polarma n Şekil1.14 İleri yönde polarma bağlantısı. R, direnci akım sınırlamak amacıyla kullanılmıştır. İleri yönde polarma şöyle çalışır. ataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) bağlanmıştır. ataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birleşim bölgesine doğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birleşim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ulaşınca; N bölgesindeki elektronların ve P bölgesindeki oyukların engel bölgesini aşmasını sağlar. N bölgesinden ayrılan elektronlara karşılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda elektron girmesini sağlar. öylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi (çoğunluk akım taşıyıcıları) eklem bölgesine doğrudur. Karşıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde boşluklar ile birleşirler. alans elektronları boşluklara taşınır ve boşluklar ise pozitif anot bölgesine taşınır. alans 15

16 elektronlarının boşluklarla birleşme işlemi PN uçlarına voltaj uygulandığı sürece devam eder ve devamlı bir akım meydana gelir. u durum şekil1.15 de resmedilmiştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron akışı görülmektedir. P TİPİ N TİPİ R boşluk akımı D lektron akımı polarma Şekil1.15: PN birleşimli diyot ta elektron akışı. İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi PN birleşiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7, germanyumda ise 0.3 civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu değere ulaştığında, PN birleşiminde iletim başlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akışı devam eder. u akıma ileri yön akımı f denir. f akımı P ve N bölgesinin direncine bağlı olarak çok az değişir. u bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir gerilim kaybına sebep olur. Ters Polarma (Revrese ias) Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine bağlanmıştır. u durum şekil1.16 da gösterilmiştir. Ters polarmada PN birleşiminden akım akmaz. ataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki boşlukları kendine doğru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine doğru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yalıtkan katman genişler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar oluşturulur. p n polarma Şekil1.16 Ters Polarma bağlantısı. 16

17 Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas gerilimine eşit oluncaya kadar genişler. u noktada boşlukların ve elektronların hareketi durur. irleşimden çoğunluk akım taşıyıcılarının harekete başlaması (transient ) akımı diye adlandırılır. u ise ters kutuplama yapıldığında çok kısa bir anda akan bir akımdır. P TİPİ ngel Katmanı N TİPİ polarma Şekil1.17 Ters polarmada oluşan engel katmanı Diyot ters kutuplandığında engel katmanının yalıtkanlığı artacak ve her iki taraftaki iyonlar şarj olacaktır. u durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça engel katmanı genişler. u arada kapasitans da artacaktır. u durum, deplesyon katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sağlar. Azınlık Akımı Şimdiye kadar öğrendiğimize göre; diyoda ters gerilim uygulandığında çoğunluk akım çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut olacaktır. u ters akım germanyumda, silisyum a göre daha fazladır. u akım silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile oluşan elektron boşluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulanırken bazı elektronlar PN birleşimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda birleşimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına bağlıdır dolayısı ile ısının artması ters akımı da artıracaktır. Ters Yönde Kırılma ğer dışarıdan uygulanan ters polarma gerilimi aşırı derecede artırılırsa çığ kırılması meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcıları olan iletkenlik bandı elektronlar dışarıdan uygulanan ters gerilim kaynağının etkisi ile P bölgesine itilirler. u esnada valans elektronları iletkenlik bandına doğru hareket ederler. u anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının hızla çoğalması olayı, çığ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Çoğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler. ununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalışacak yönde yapılmışlardır. unlara Zener Diyot adı verilir. 17

18 1.7 DİYOT Önceki bölümlerde oluşturulan PN birleşimine elektronik endüstrisinde diyot adı verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini oluşturan en basit aktif devre elemanıdır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine bağlı olarak farklı akım ve gerilim değerlerinde çalışabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmışlardır. u bölümde diyodun nasıl çalıştığını, akımgerilim karakteristiklerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. u bölümde sıra ile; Diyot sembolünü İdeal diyot modelini Pratik diyot modelini Diyot un polarmalandırılmasnıı, Diyot un karakteristiğini Diyot direncini Diyotlarda yük doğrusu ve çalışma karakteristiğini Diyodun sıcaklıkla ilişkisini Öğreneceksiniz. u bölümde öğreneceğiniz temel çalışma prensipleri, ileriki bölümlerde diyotlarla yapacağınız uygulama ve tasarımlara sizleri hazırlayacaktır. PN itişimi ve Diyot ir önceki bölümde oluşturulan P ve N maddesinin birleştirilmesi, Diyot adı verilen yarıiletken devre elemanını meydana getirir. P ve N maddesinin birleştirilmesi işlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yapılabilir. u nedenle diyotlara nokta temaslı diyot veya yüzey bitişimli diyot adı da verilebilir. Her iki tip diyodun özellikleri ve çalışma karakteristikleri aynıdır. Dolayısı ile bu olay üreticileri ilgilendirir. izim bu konuyla ilgilenmemize gerek yoktur. Şekil1.19 da elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların kılıf tipleri ve terminal isimleri verilmiştir. Şekil1.19 Diyot larda kılıf tipleri ve terminal isimleri 18

19 lektronik biliminde her devre elemanı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir takım uluslararası kurallara göre yapılmaktadır. Şekil1.20 de diyot un temel yapısı ve şematik diyot sembolleri verilmiştir. Anot Anot Anot P N Katod Katod Katod Şekil1.20 Diyot un yapısı ve şematik diyot sembolleri Şekil1.20 de görüldüğü gibi diyot 2 terminalli aktif bir devre elemanıdır. Terminallerine işlevlerinden dolayı anot ve katod ismi verilmiştir. Anot terminalini P tipi madde, katod terminalini ise N tipi madde oluşturur. u bölümde genel amaçlı doğrultmaç diyotlarını ayrıntıları ile inceleyeceğiz. lektronik endüstrisinde farklı amaçlar için tasarlanmış, işlevleri ve özellikleri farklılıklar gösteren diyotlarda vardır. u diyotlar, özel tip diyotlardır. İleriki bölümlerde incelenecektir. İdeal Diyot Modeli İdeal diyodu tek yönlü bir anahtar gibi düşünebiliriz. Anot terminaline göre; katot terminaline negatif bir gerilim uygulanan diyot, doğru (ileri) yönde polarmalandırılmış olur. Diyot, doğru yönde polarmalandığında kapalı bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin verir. Direnci minimumdur. u durum şekil1.21..a da görülmektedir. Anot terminaline göre; katot terminaline pozitif bir gerilim uygulanan diyot ters yönde polarmalandırılmış olur. İdeal diyot ters yönde polarmalandırıldığında, açık bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin vermez ve direnci sonsuzdur. u durum şekil1.21.b de gösterilmiştir. İdeal bir diyot un Akımgerilim karakteristiği ise şekil1.21.c de verilmiştir. İdeal Diyot İdeal Diyot f DD F 0 F /R DD R DD r 0 r R r f a) Dogru Polarma b) Ters Polarma r c) Karakteristiği Şekil1.21 İdeal diyot un ileri ve ters polarmada davranışları 19

20 Pratik Diyot Modeli Pratik kullanımda diyot, ideal modelden farklı davranışlar sergiler. Örneğin; doğru polarma altında kapalı bir anahtar gibi kısa devre değildir. ir miktar direnci vardır. u nedenle üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. u gerilime diyot öngerilimi denir ve F veya D sembolize edilir. u gerilim değeri; silisyumda 0.7, germanyumda ise 0.3 civarındadır. Gerçek bir diyot un doğru polarma altında modellemesi şekil1.22..a da verilmiştir. Ters yönde polarmada ise, açık bir anahtar gibi direnci sonsuz değildir. u nedenle üzerinden çok küçük bir miktar akım akar. u akıma sızıntı akımı denir ve R ile sembolize edilir. Sızıntı akımı çok küçük olduğundan pek çok uygulamada ihmal edilebilir. Gerçek bir silisyum diyodun karakteristiği ise şekil1.22.c de verilmiştir. Örneğin; şekil 1.22.a da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım değeri F; DD D F R olarak belirlenir. 0.7 r d S r r f S f r DD f R DD r R r f a) Dogru Polarma b) Ters Polarma r c) Karakteristiği Şekil1.22 Pratik bir diyot un ileri ve ters polarmada davranışları 1.8 DİYOT KARAKTRİSTİKLRİ Diyot karakteristiği; diyoda uygulanan polarma gerilimi ve akımlarına bağlı olarak diyodun davranışını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli karakteristikleri kullanıcıya sunarlar. u bölümde; Diyot un karakteristiğini Diyot direncini Yük doğrusu ve çalışma noktasını Diyot karakteristiğinin sıcaklıkla ilişkisini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. 20

21 Diyot un karakteristiği Diyot un karakteristiği; diyot uçlarına uygulanan gerilimle, diyot üzerinden geçen akım arasındaki ilişkiyi gösterir. Diyot; doğru ve ters polarma altında farklı davranışlar sergiler. Genel kullanım amaçlı silisyum diyodun doğru ve ters polarmalar altındaki karakteristiği şekil1.23 de verilmiştir. Şekil1.23 üzerinde diyodun karakteristiğini çıkarmak için gerekli devre bağlantıları görülmektedir. Diyot, doğru polarmada iletimdedir. Ancak iletime başlama noktası D olarak işaretlenmiştir. u değerden sonra diyot üzerinden akan ileri yön F akımı artarken, diyot üzerine düşen gerilim yaklaşık olarak sabit kalmaktadır. u gerilim diyot öngerilimi olarak adlandırılır. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot da yaklaşık olarak 0.7 civarındadır. Ters polarma altında ise; diyot üzerinden geçen akım miktarı çok küçüktür. u akıma sızıntı akımı denir. Sızıntı akımı, silisyum bir diyot da birkaç na seviyesinde, germanyum bir diyot da ise birkaç µa seviyesindedir. Ters polarma altında diyot, belirli bir gerilim değerinden sonra iletime geçer. Üzerinden akan akım miktarı yükselir. Ters polarma altında diyot u kırılıp iletime geçmesine neden olan bu gerilime kırılma gerilimi denir. u durum şekil1.23 üzerinde gösterilmiştir. (ma) f f DD f R () r Kırılma noktası Sızıntı akımı F 0.7 Dogru Polarma () f r r DD R Ters Polarma r ( µ A) Şekil1.23 Silisyum diyot un karakteristiği Diyot; kırılma geriliminde iletime geçmekte ve üzerinden akım akmasına izin vermektedir. Şekil1.23 deki grafik dikkatlice incelenirse, diyot üzerinden akan akım arttığı halde, gerilim sabit kaldığı gözlenmektedir. u durum önemlidir. Üretici firmalar, bu durumu dikkate alarak farklı değerlerde kırılma gerilimine sahip diyotlar geliştirip, tüketime sunmuşlardır. u tür diyotlara zener diyot adı verilir. Zener diyotlar, ileri bölümlerde ayrıntılı olarak incelenecektir. 21

22 Şekil1.23 de verilen diyot karakteristiğinde; diyot un kırılıp akım akıtmaya başlaması, aşağıda verilen eşitlik ile açıklanabilir. q ηkt 0 (e 1) u formülde; : Diyot akımını 0 : Ters polarmada sızıntı akımını : Diyot uçlarına uygulanan polarma gerilimini Q : lektron şarj miktarını (oulomb olarak) T : pn birleşim sıcaklığını (K cinsinden) K : oltzman sabitini ŋ : Metale bağımlı bir sabite (Ge:1, Si2) Silisyum ve germanyum diyotların akımgerilim karakteristik eğrileri şekil1.24 de birlikte verilmiştir. Görüldüğü gibi germanyum diyotların sızıntı akımı çok daha büyüktür. u nedenle günümüzde silisyum diyotlar özellikle tercih edilir. Germanyum diyotlar, ise öngerilimlerinin küçük olmaları nedeniyle (0.20.3) özellikle alçak güçlü yüksek frekans devrelerinde kırpıcı olarak kullanılmaktadırlar. (ma) f Ge Si r () r (si)10na 5 2µA () f 4µA 6µA Si Ge r ( µ A) Şekil1.24 Silisyum ve germanyum diyot karakteristiklerinin karşılaştırılması Diyot Direnci Diyot un elektriksel olarak direnci; diyot uçlarındaki gerilimle diyot üzerinden geçen akımın oranına göre tayin edilir. Diyot direnci, karakteristiğinde görüldüğü gibi doğrusal değildir. Doğru polarma altında ve iletim halindeyken, direnci minimum 10Ω civarındadır. Ters polarma altında ve kesimdeyken ise 10MΩ100MΩ arasındadır. Diyodun doğru akım altında gösterdiği direnç değerine statik direnç denir. Statik direnç (rs) aşağıdaki gibi formüle edilir. 22

23 r S ( statik) Alternatif akım altında gösterdiği direnç değerine dinamik direnç denir. Dinamik direnç (rd) aşağıdaki gibi formüle edilir. r D ( dinamik) Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği kullanılır. Şekil1.25 de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristiği verilmiştir. F (ma) D D 3 Q Q 1 Q F (v). Şekil1.25 Statik ve Dinamik diyot dirençlerinin belirlenmesi Statik ve dinamik diyot dirençlerinin belirlenip formüle edilmesinde şekil1.25 de görülen diyot karakteristiğinden yararlanılır. Şekilde görülen karakteristikte değişim noktaları Q1, Q2 ve Q3 olarak işaretlenmiştir. Örneğin Q1 ve Q2 noktalarında diyot un statik direnci; ( ) 1 r S Q1 r S 1 ( 2 Q2 ) 2 olarak bulunur. Diyot un dinamik direnci ise, akım ve gerilimin değişmesi ile oluşan direnç değeridir. Örneğin Q2 noktasındaki dinamik direnç değerini bulmak istersek, Q2 noktasındaki değişimin (Q1.. Q3 değişimi gibi) küçük bir değişimini almamız gerekir. 3 1 r D lde edilen bu eşitlik ters polarmada da kullanılabilir. Yük Doğrusu ve Çalışma Noktası Diyot, direnç ve D kaynaktan oluşan basit bir devre şekil1.26. da verilmiştir. Devrede diyot doğru yönde polarmalandırılmıştır. 3 1 D F (ma) DD F R DD R 1 gim Q R F DD (v) 23

24 Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı; DD F R olacağı açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldığında ise; devreden akacak akımı miktarına bağlı olarak diyot uçlarında D ile belirlenen bir diyot öngerilimi oluışacaktır. u gerilim değeri lineer değildir. u gerilim değerinin; R F DD olacağı açıktır. Ayrıca devreden akan akacak olan D akımı değerinin DD gerilimine bağlı olarak da çeşitli değerler alacağı açıktır. Çeşitli DD değerleri veya F değerleri için, diyot ön gerilimi D nin alabileceği değerler diyot karakteristiği kullanılarak bulunabilir. DD geriliminin çeşitli değerleri için devreden akacak olan F akım değerleri bulunup karakteristik üzerinde işaretlenir ve kesişim noktaları birleştirilirse şekil1.26 da görülen eğri elde dilir. u eğriye yük doğrusu denilir. Yük doğrusu çizimi için; F0 için FDD (Diyot yalıtkan) F0 için FDD/R (Diyot iletken) ulunan bu değerler karakteristik üzerindeki koordinatlara işaretlenir. İşaretlenen noktalar karakteristik üzerinde birleştirilirse yük doğrusu çizilmiş olur. u durum şekil 1.26 üzerinde gösterilmiştir. Diyot karakteristik eğrisinin yük çizgisini kestiği nokta Q çalışma noktası olarak bilinir. Yük çizgisinin eğimi ise 1/R dir. Şekil1.26 da verilen devreye bağlı olarak yük doğrusu bir defa çıkarıldıktan sonra DD nin herhangi bir değeri için akacak akım miktarı ve buna bağlı olarak R direnci uçlarında oluşabilecek gerilim değeri kolaylıkla bulunabilir. Yük doğrusu ve çalışma noktasının tayini; diyot u özellikle hassas kullanımlarda duyarlı ve pratik çalışma sağlar. Sıcaklık tkisi Diyot karakteristiği ile ilgili bir diğer faktör ise sıcaklıktır. Üretici firmalar diyodun karakteristik değerlerini genellikle 25 0 oda sıcaklığı için verirler. Diyot un çalışma ortamı ısısı, oda sıcaklığından farklı değerlerde ise diyot öngeriliminde ve sızıntı akımında bir miktar değişime neden olur. Diyot öngerilimi F; her 1 0 lik ısı artışında yaklaşık 2.3m civarında azalır. Diyot sızıntı akımı 0; her 10 0 lik ısı artışında yaklaşık iki kat olur. Diyot un ısı değişimine karşı gösterdiği duyarlılık oldukça önemlidir. Örneğin bu duyarlılıktan yararlanılarak pek çok endüstriyel ısı ölçümünde ve kontrolünde sensör olarak diyot kullanılır. F 24

25 Örnek:1.1 a) Şekil1.27.a da verilen devre için diyot üzerinden akan ileri yön akımını ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. b) Şekil1.27.b de verilen devre için ters yön gerilim ve akım değerlerini ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. Diyot ters yön akımı R1µA R A R A F 1KΩ R 1KΩ DD 10 F DD 10 R (a) Şekil1.27.a ve b Diyot devreleri (b) Çözüm:1.1 a) İdeal Diyot Modeli; F0 DD 10 F 10mA R 1KΩ A A F RA ( 10mA) (1KΩ) 10 Pratik Diyot Modeli; F0.7 DD F ma R 1KΩ F 3 A A F RA ( 9.3mA) (1KΩ) 9. 3 b) İdeal Diyot Modeli; R0A R DD 10 RA 0 Pratik Diyot Modeli; R1µA R ( 1µ A) (1KΩ) RA R A 1 m R DD RA 10 1m c) d) 25

26 Örnek: 1.2 a) Şekil1.28 de verilen devrede germanyum diyot kullanılmıştır. Diyot un dayanabileceği maksimum akım değeri 100mA olduğuna göre R direncinin minimum değeri ne olmalıdır? Diyot ve direnç üzerinde harcanan güçleri bulunuz? b) Aynı devrede verilen diyot karakteristiğini kullanarak diyot un ac dinamik direncini bulunuz? D F 0.3 F (ma) 50 DD 10 R F (v) Çözüm: Şekil1.28 Diyot devresi ve karakteristiği a) DD D R D DD D R 97Ω 100mA D Direnç ve diyot üzerinde harcanan güçleri hesaplayalım. 2 2 PR ( F ) R (100mA) (97Ω) 0. 97W PD ( F ) ( D ) (100mA) (0.3 ) 0.03W 30mW b) İleri yön karakteristiği verilen diyodt un ac dinamik direnç değeri; r D 50mA 10mA 40 r D 4. 5Ω ma 2 Diyot Testi Diyot, sayısal veya analog bir multimetre yardımıyla basitçe test edilebilir. Analog bir multimetre ile ölçme işlemi Ω konumunda yapılır. Sağlam bir diyot un ileri yön direnci minumum, ters yön direnci ise sonsuz bir değerdir. Test işlemi sonucunda diyot un anotkatod terminalleri de belirlenebilir. Şekil1.29 da diyot un sayısal bir multimetre yardımıyla nasıl test edileceği gösterilmiştir. Test işlemi sayısal multimetrenin Diyot konumunda yapılır. Multimetrenin gösterdiği değer diyot üzerindeki öngerilimidir. u gerilim; doğru polarmada silisyum diyotlarda 0.7 civarındadır. Germanyum diyotlarda ise 0.3 civarındadır. Ters polarmada her iki diyot tipinde multimetrenin pil gerilimi (1.2) görülür. 26

27 Ω Off ma A OM Ω 10A ma 10A Katod Anot a) leri Yönde polarma b) Ters Yönde polarma Diyot Saglam Diyot Saglam Diyot ozuk (açik devre) c) leri Yönde polarma d) leri Yönde polarma Diyot ozuk (kisa devre) 1.20 Ω Off ma A OM Ω 10A ma 10A Katod Anot 1.20 Ω Off ma A OM Ω 10A ma 10A Katod Anot 0.00 Ω Off ma A OM Ω 10A ma 10A Katod Anot Şekil1.25 Sayısal multimetre ile diyot testi 1.9 ÖLÜM ÖZTi Doğadaki tüm maddeler atomlardan oluşur. Klasik bohr modeline göre atom 3 temel parçacıktan oluşur. Proton, nötron ve elektron. Atomik yapıda nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. lektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar. Protonlar pozitif yüklüdür. Nötronlar ise yüksüzdür. lektronlar, çekirdekten uzakta belirli yörüngelerde bulunurlar ve negatif yüklüdürler. Yörüngedeki elektronlar atom ağırlığı ve numarasına bağlı olarak belirli sayılardadırlar. Atomun yörüngeleri KLMN olarak adlandırılırlar. ir atomun son yörüngesindeki elektron miktarı 8 den fazla olamaz. Atomun son yörüngesindeki elektronlar valans elektron olarak adlandırılırlar. alans elektronlar maddenin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak tanımlanmasında etkindirler. Yarıiletken materyaller 4 adet valans elektrona sahiptir. lektronik endüstrisinde yarıiletken devre elemanlarının üretiminde silisyum ve germanyum elementleri kullanılır. Silisyum veya germanyum elementlerine katkı maddeleri eklenerek P ve N tipi maddeler oluşturulur. P ve N tipi maddeler ise elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılırlar. P ve N tipi maddelerin birleşimi diyot u oluşturur. irleşim işlemi bir noktada yapılabildiği gibi yüzey boyunca da yapılabilir. u nedenle diyotlar genellikle yüzey birleşimli veya nokta temaslı olarak imal edilirler. Her iki tip diyot unda temel özellikleri aynıdır. ANALOG LKTRONİK

28 Diyot elektronik endüstrisinin en temel devre elemanlarından biridir. İki adet terminale sahiptir. N tipi maddeden oluşan terminale Katot, P tipi maddeden oluşan terminale Anot ismi verilir. Diyot iki temel çalışma biçimine sahiptir. unlar İletim ve kesim modunda çalışmadır. Diyot un anoduna; kataduna nazaran daha pozitif bir gerilim uygulanırsa diyot iletim bölgesinde çalışır ve iletkendir. Diyot un anoduna; kataduna nazaran daha negatif bir gerilim uygulanırsa diyot kesim bölgesinde çalışır yalıtkandır. İletim bölgesinde çalışan bir diyot üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. u gerilime diyot öngerilimi denir. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot üzerinde yaklaşık 0.7, Germanyum bir diyot üzerinde ise yaklaşık 0.3 civarındadır. Diyot öngerilimi bir miktar diyot un çalışma ortamı ısısına bağımlıdır. Diyot öngerilimi 1 0 sıcaklık artmasına karşın yaklaşık 2.3m azalır. Kesim bölgesinde çalışan bir diyot, pratik olarak açık devre (direnci sonsuz) değildir. Üzerinden çok küçük bir bir miktar akım akar. u akıma sızıntı akımı denir. u değer na ile µa ler mertebesindedir. Sızıntı akım değeri germanyum diyotlarda silisyum diyotlardan bir miktar daha fazladır.sızıntı akımı diyot un çalışma ısısından etkilenir. Örneğin her 10 0 sıcaklık artışında sızıntı akımı yaklaşık iki kat olur. Analog veya sayısal bir ohmmetre kullanılarak diyotların sağlamlık testi yapılabilir. Test işlemi sonucunda ayrıca diyot un anot ve katot terminalleri belirlenebilir. 28

29 ÖLÜM 2 Diyot Uygulamaları Konular: 2.1 YarımDalga Doğrultmaç 2.2 TamDalga Doğrultmaç 2.3 Filtre Devreleri 2.4 Kırpıcı ve Sınırlayıcı Devreler 2.5 Gerilim Kenetleyici ve Gerilim Çoklayıcılar 2.6 Diyot eri Sayfaları Amaçlar: u bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi Tam dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi Doğrultmaçlarda filtreleme ve filtre devreleri Diyotlarla gerçekleştirilen kırpıcı ve sınırlayıcı devrelerin analizi Diyot veri sayfalarının incelenmesi ve çeşitli karakteristikler Diyot devrelerinin kısa analizleri ve yorumlar

30 2.1 YARM DALGA DOĞRULTMAÇ Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir D güç kaynağına (D power supply) gereksinim duyarlar. u gerilimi elde etmenin en pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan A gerilimi, D gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi Doğrultmaç (redresör) olarak adlandırılan cihazlarla gerçekleştirilir. Doğrultmaç veya D Güç kaynağı (D power supply) denilen cihazlar, basitten karmaşığa doğru birkaç farklı yöntemle tasarlanabilir. u bölümde en temel doğrultmaç işlemi olan yarım dalga doğrultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve çalışmasını inceleyeceğiz. u bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. Temel bir güç kaynağı sistemi Transformatörler ve işlevleri Yarım dalga doğrultmaç devresi Rıpıl faktörü Temel D Güç Kaynağı (Power Supply) ilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, bilgisayar v.b gibi) çalışmak için bir D enerjiye gereksinim duyarlar. D enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. u oldukça pahalı bir çözümdür. D enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir şebekesinden alınan A gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan A formdaki sinüsoydal gerilim, D gerilime dönüştürülür. Dönüştürme işlemi için D güç kaynakları kullanılır. Temel bir D güç kaynağının blok şeması şekil2.1 de görülmektedir. Sistem; doğrultucu (rectifier), Filtre (filter) ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır. Sistem girişine uygulanan ac gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş dc gerilim olarak alınmaktadır. Transformatör Doğrultmaç Devresi Filtre Devresi Regülatör Devresi giriş A RL Şekil2.1 A Gerilimin D Gerilime Dönüştürülmesi Sistem girişine uygulanan A gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüştürülür. Transformatör, dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen A gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur. 30

31 Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör) devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir D gerilimden uzaktır ve az da olsa A bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir D gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir D gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile inceleyelim. Transformatörler Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur. Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. u sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan A gerilim, sekonder sargısından alınır. Şehir şebeke gerilimi genellikle 220rms/50Hz dir. u gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir A gerilim değerine dönüştürülmesinde transformatörler kullanılır. Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. u durum, güvenlik için önemli bir avantajdır. Sekonder sargısından alınan A işaretin, gücü ve gerilim değeri tamamen kullanılan transformatörün sarım sayılarına ve karkas çapına bağıdır. Üreticiler ihtiyaca uygun olarak çok farklı tip ve modelde transformatör üretimi yaparlar. Şekil2.2 de örnek olarak bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir. Şekil2.2 Farklı model ve tipte transformatörler Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220rms/50Hz, sekonderler sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil2.3'de farklı sargılara sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir. 31